Солнце - вечная энергия

за час Земля получает от Солнца столько энергии, сколько все человечество использует за год

Программа ДВФЭЗ направлена на продвижение использования альтернативных источников энергии - ветра и солнца. Мы стремимся рассказать людям о том, что это такое и как это можно использовать. Применение зеленой энергетики может решить проблему бесперебойного обеспечения людей электроэнергией и значительно увеличить энергоэффективность страны, способствует сохранению чистоты воды и воздуха, а также помогает снизить темпы изменения климата. Таким образом, применяя экологичные источники энергии, можно решать и локальные, и национальные и даже глобальные проблемы. Сейчас в России есть много сложностей с использованием энергии ветра и солнца. Сложность заказа, дороговизна оборудования, отсутствие наглядных примеров - все этом мы стараемся решать в рамках нашей программы. И каждый может принять в этом участие. Альтернативная энергетика в России должна быть понятной, надежной, энергоэффективной и доступной.

В космосе давно и с большим успехом применяются солнечные батареи. Применение на Земле в последнее десятилетие развивается рекордными темпами. Получение электричества от энергии солнца по прежнему затратная задача, но себестоимость такого электричества постепенно снижается, стимулируя развитие этой сферы. В условиях ограниченного объема природных ресурсов, необходимости решения экологических проблем и, в частности, глобального потепления, использование человечеством энергии солнца на земной поверхности уже сейчас составляет ощутимую конкуренцию углеводородам.

Подтверждением тому служит охвативший мир настоящий солнечный бум. В соседней с нами Республике Корея в 2008 году было установлено 274 мегаватта мощности солнечных панелей. Это сравнимо с мощностью Владивостокской ТЭЦ в том же году.

С той лишь разницей, что солнечную электростанцию не надо топить углем и мазутом и от нее нет никаких вредных выбросов.

Еще больше прогресс в Японии, где суммарная мощность солнечных электростанций приближается уже к 3 гигаваттам! Кто-то скажет, что в Японии много солнца и нам равняться на них сложно. Но вот вам реальный факт: в Германии установлено уже свыше 5 гигаватт солнечных панелей! А ведь немцы наш северный сосед и получают куда меньше солнца, чем Приморье.

Дело тут вовсе не в географии страны, а в том, что в развитых странах люди думают о будущем и успешно используют современные технологии. Экономически солнечная энергия уже давно стала выгодной. Ведь срок службы качественных монокристаллических кремниевых панелей составляет не менее 40 лет. И все это время солнечные панели производят фактически бесплатную энергию, не нуждаясь в топливе и не производя никаких вредных выбросов!

Как работают солнечные панели

Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку позволяют осуществить прямой, одноступенчатый переход энергии.

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Фотовольтаический эффект (преобразование энергии света в электроэнергию) был открыт в 1839 году молодым французским физиком Эдмондом Беккерелем. Однажды 19-летний Эдмонд, проводя опыты с маленькой электролитической батареей с двумя электродами обнаружил, что на свету некоторые материалы производят электрический ток.

Отчего это происходит? Дело в том, что солнечный свет несет опеределенную энергию. Разным длинам волн света, воспринимаемыми нами как разные цвета (красный, синий, желтый и т.д.) соответствуют свои уровни энергии. Попадая на воспринимающий полупроводниковый слой, свет передает свою энергию электрону, который срывается со своей орбиты в атоме. А поток электронов и есть электричекий ток.

Но до создания первой солнечной батареи прошло еще более сорока лет: в 1883 г. Чарльз Фритц покрыл кремниевый полупроводник очень тонким слоем золота и получил солнечную батарею, КПД которой составил не более 1%. Аналогичные современным фотовольтаические элементы были запатентованы как «светочувствительные элементы» в 1946 г. компанией Russell Ohl.

Первый искусственный спутник с применением фотовольтаических элементов был запущен СССР в 1957 г., а в 1958 г. США осуществили запуск спутника Explorer 1 с солнечными панелями.

Эти два события показали, что солнечные панели могут служить единственным и достаточным источником энергоснабжения геостационарных спутников, что подтвердило компетентность солнечных батарей. Это был важный момент в развитии данной технологии, так как в результате успешных запусков несколько правительств инвестировали колоссальный объем средств в ее разработку.

Начиная с 2000 г. в арифметической прогрессии росла эффективность производимых кремниевых моно- и поликристаллических фотоэлектрических элементов, достигнув к 2007 году максимальных значений 19%. Другие же технологии из-за меньшей эффективности оказались обделены вниманием разработчиков до недавнего времени.

В целом погоня за эффективностью и создание дорогих солнечных элементов оправдывали себя только для применения в космосе, где важен каждый грамм и квадратный сантиметр. Для практического использования солнечных панелей на Земле требовались сравнительно недорогие и качественные элементы, пригодные для массового производства и применения. Именно такими и стали кремниевые солнечные панели. В настоящее время лидером является моно- и поликристаллический кремний - 87% мирового рынка. Аморфный кремний составляет 5% рынка, а тонкопленочные кадмий-теллуровые элементы - 4,7%. Основным материалом для производства солнечных фотоэлектрических панелей остается кремний. Причиной является его повсеместная доступность. Немалую роль играет и разработанность технологии, поскольку кремний очень широко используется в разных видах электроники.

Основой для солнечных панелей являются тонкие срезы кремниевых кристаллов. Чем тоньше слой - тем меньше себестоимость. Параллельно повышается эффективность. В 2003 году в среднем в индустрии фотовольтаики толщина слоя в наиболее качественных элементах составляла 0,32 мм, а к 2008 году уменьшилась до 0,17 мм. А эффективность повысилась с 14% до 16%. В этом году планируется достигнуть показателей 0,15 мм при эффективности 16,5%.

Подробнее об истории солнечных панелей можно прочитать здесь.

Типы солнечных элементов

Монокристаллический кремний

Наиболее эффективными и распространенными для широкого потребления являются монокристаллические кремниевые элементы. Для изготовления таких элементов кремний очищается, плавится и кристаллизуется в слитках, от которых отрезают тонкие слои. Внешне монокристаллические элементы выглядят как однотонная поверхность темно-синего или почти черного цвета. Скозь кремний проходит сетка из металлических электродов. Эффективность такого элемента составляет от 16 до 19% в стандартных условиях тестирования (прямой солнечный свет, +250С).

Срок службы таких панелей у хороших производителей составляет обычно 40-50 лет. Производительность за каждые 20-25 лет службы постепенно снижается примерно на 20%.

Поликристаллический кремний

Технология принципиально не отличается от монокристаллических элментов, но разница состоит в том, что для изготовления используется менее чистый и более дешевый кремний. Внешне это уже не однотонная поверхность, а узор из границ множества кристаллов. Эффективность такого элемента составляет от 14 до 15%. Тем не менее эти панели пользуются примерно такой же популярностью на рынке, что и монокристаллические, поскольку пропорционально эффективности снижается цена производства.

В России перспективнее все же использовать монокристаллические панели, поскольку при неразвитости собственного производства и больших расстояниях целесообразнее ввозить и транспортировать более эффективные панели.

Ленточный кремний

Принципиально такой же как и предыдущие типы, отличается лишь тем, что кремний не нарезается от кристалла, а наращивается тонким слоем в виде ленты. Антибликовое покрытие дает радужную окраску таким панелям. Эта технология не смогла завоевать рынок, занимая на нем лишь около 2%. В Росси почти не встречается.

Аморфный кремний

В этом типе используются не кристаллы, а тончайшие слои кремния, напыленные в вакууме на пластик, стекло или металл. Этот тип является наиболее дешевым в производстве, но обладает серьезным недостатком. Слои кремния выгорают на свету значительно быстрее, чем у предыдущих типов. Снижение производительности на 20% может произойти уже через два месяца. Очень часто в России привлеченные низкой ценой люди приобретают такие панели и потом разочаровываются, поскольку уже через год-два такой элемент перестает давать энергию.

Распознать такую панель на вид можно по более блеклому сероватому или темному цвету непонятных оттенков. На данном этапе развития этой технологии, применение таких панелей в России не рекомендуется.

Теллурид кадмия

Этот тип тонкослойных солнечных элементов обладает потенциально большей эффективностью и в качестве проводящего компонента использует оксид олова. Эффективность составляет 8-11%. По себестоимости эти элементы не намного дешевле моно- и поли- кристаллических кремниевых и обладают проблемой использования токсичного кадмия. Сейчас этот тип элементов занимает менее 5% общего рынка. Допуск таких панелей в Россию нежелателен в первую очередь из-за отечественного неумения обращаться с потенциально токсичной продукцией.

Другие элементы

Помимо вышеперечисленных есть еще много различных солнечных элементов, не получивших большого распространения. Потенциально перспективными являются медно-галлиевые, концентрирующие, композитные и некоторые другие элементы.

Где производят солнечные панели?

Производство солнечных панелей растет бешеными темпами, стараясь поспеть за стремительно растущим спросом. Причем одновременно растет спрос и для промышленных электростанций и для бытового потребления.

Лидером в производстве солнечных панелей является Китай. Здесь производят почти треть (29%) от общемировой продукции. При этом большая часть уходит на экспорт - в США и Европу. Примечательно, что американцы, являясь крупнейшим потребителем, производят лишь 6% от всех солнечных панелей, предпочитая инвестировать в перспективные крупные заводы в Китае.

Ненамного от Китая отстают Япония и Германия, которые производят соответственно 22% и 20% от общемировой продукции. Еще одним лидером является Тайвань - 11% рынка. Все остальные страны производят значительно меньшее количество солнечных панелей.

К сожалению, на этом фоне Россия выглядит очень бледно. Наши государственные деятели пока ограничиваются лишь громкими заявлениями. А производство солнечных фотоэлектрических панелей до сих пор находится в зачаточном состоянии. Практически нет серьезных государственных инициатив и не созданы условий для частных инвесторов.

Эффективны ли солнечные панели в Приморье?

Несведущие люди полагают, что в Приморье эффективность солнечных панелей сомнительна. На самом же деле по количеству солнечной энергии Приморье сопоставимо со многими южными странами: Японией, Кореей, Грецией и Италией.

Приморский край относится к регионам России, где целесообразно использовать солнце для получения энергии. Число солнечных дней в среднем по Приморскому краю составляет 310, при продолжительности солнечного сияния более 2000 часов. Есть районы, к примеру, это посёлок Пограничный, где число дней без Солнца всего 26 в году, а продолжительность солнечного сияния 2494 часа. На северном побережье продолжительность солнечного сияния 1900-2100 часов, на южном – 2000-2200 часов. В целом, мощность поступления солнечной энергии на территорию Приморского края составляет свыше 30 млрд. кВт. Практические ресурсы солнечной энергии с учётом экологических и технических ограничений составляют 16 млн. кВт, при получении только электрической энергии – 4,9 млн. кВт. Совсем немало!

Применение солнечных панелей

Помимо промышленного получения электроэнергии в Приморье есть следующие основные перспективы использования жителями солнечных панелей:

1) для обеспечения небольшого потребления энергии,
2) в гибридных ветро-солнечных автономных системах,
3) в больших солнечных автономных системах

При небольшой потребности в электричестве (менее 500 ватт мощности) установка солнечных панелей предпочтительнее ветротурбин. Ведь солнечные панели занимают меньше места, надежнее в обеспечении энергией, не требуют установки мачты, а на крыше практически незаметны снаружи.

В гибридных ветро-солнечных системах в качесте основного источника энергии используется мощный ветрогенератор, а солнечные панели в качестве дополнительного. Надежность в обеспечении энергией у такой системы значительно выше, чем у обычной ветровой. Ведь ветер может стихнуть на несколько дней подряд, а вот солнце бывает всегда. Многие ошибочно полагают, что для солнечных панелей обязательно нужен прямой свет. А на самом деле фотовольтаические элементы производят электричество и в пасмурную погоду, хотя и в меньших количествах.

Иногда у потребителя нет возможности установить ветрогенератор, например, если участок находится в непродуваемой ложбине или нет достаточно места. Тогда солнечные панели является очень хорошей альтернативой. Они обходятся дороже ветряных, зато с ними никаких хлопот.

Качественные панели легко выдерживают любые погодные условия, даже крупный град, а служат не менее 40 лет. Единственный требуемый уход - время от времени очищать поверхность от снега и пыли, что многократно увеличивает производительность. Есть также системы, способные поворачивать солнечную батарею вслед за солнцем в течение дня, таким образом можно увеличить выработку энергии вплоть до 50% от выработки в стационарном положении.

Цены на солнечные панели

Устанавливать нужно только качественные монокристаллические солнечные панели с штатным сроком службы не менее 25 лет. Нежелательно пользоваться услугами неизвестных компаний, не обеспечивающих дальнейшее обслуживание и не дающих гарантию на свою работу.

В Приморье целесообразнее всего использовать продукцию крупных заводов Китая, работающих на европейский экспорт. В этом случае качество будет аналогично немецкому или японскому, а цена в 2-3 раза ниже.

Пригодная для освещения и мелких приборов мощность - 200 Вт. обойдется примерно 20-25 тыс. руб. Плюс аккумуляторы, контроллер и установка - еще 30-35 тыс. руб. Это наименьшие расценки в крае от компании «Светоч».

Вообще же, в сравнении с ветрогенераторами солнечные панели примерно в 1,5-2 раза дороже. 1 кВт мощности ветрогенератора стоит до 60 тыс. руб., а у солнечных панелей тот же 1 кВт обойдется не менее 120 тыс. руб. Но это в значительной степени оправдывается большим сроком службы и бесхлопотным содержанием.

Подробнее с ценами на солнечные панели можно ознакомиться здесь. Цены на солнечные автономные системы электроснабжения можно посмотреть здесь.

Наш фонд оказывает поддержку проектам возобновимой энергии на Дальнем Востоке и Восточной Сибири. Вы можете проконсультироваться о возможности установки ветряной системы для себя или своей организации у наших сотрудников:

Леонид Ким - технический директор Дальневосточного фонда экологического здоровья leonid@dvfond.ru
тел. сот.: +7-914-696-1995 тел./факс: 8(42337)35229

Олеся Щекалева - координатор программы "Зеленая энергия и дом будущего" Дальневосточного фонда экологического здоровья отправить сообщение